Страница 51 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Перечислите причины многообразия веществ.

Многообразие веществ в мире обусловлено несколькими ключевыми причинами, которые позволяют из ограниченного числа химических элементов создавать миллионы различных соединений с уникальными свойствами.

1. Способность атомов к образованию химических связей.

   Атомы более 100 химических элементов могут соединяться друг с другом различными способами (посредством ковалентных, ионных, металлических связей) и в разных количественных соотношениях. Это позволяет формировать огромное число различных молекул и кристаллических структур. Например, атомы углерода и кислорода могут образовывать как угарный газ ($CO$), так и углекислый газ ($CO_2$) — вещества с совершенно разными свойствами.

2. Явление изомерии.

   Это существование веществ, имеющих одинаковый атомный состав (одну и ту же молекулярную формулу), но разное пространственное строение молекул. Различное строение придает изомерам разные физические и химические свойства. Особенно широко это явление распространено в органической химии. Например, составу $C_2H_6O$ соответствуют два разных вещества: этиловый спирт и диметиловый эфир.

3. Явление аллотропии.

   Это способность одного химического элемента существовать в виде нескольких простых веществ, называемых аллотропными модификациями. Они различаются строением и, как следствие, свойствами. Например, элемент углерод существует в виде алмаза, графита, фуллеренов и графена, а элемент кислород — в виде кислорода ($O_2$) и озона ($O_3$).

4. Способность к полимеризации.

   Многие небольшие молекулы (мономеры) могут соединяться в длинные цепи, образуя полимеры. Изменяя тип мономера, длину и структуру полимерной цепи, можно получать бесконечное множество материалов с заданными свойствами, от пластмасс и каучуков до белков и нуклеиновых кислот.

5. Явление полиморфизма.

   Это способность твердых веществ (соединений) существовать в различных кристаллических формах. Например, карбонат кальция ($CaCO_3$) может кристаллизоваться в виде кальцита или арагонита, которые имеют разные кристаллические решетки и отличаются по свойствам, таким как плотность и твердость.

Ответ: Основными причинами многообразия веществ являются: 1) способность атомов разных элементов соединяться друг с другом посредством химических связей в различных комбинациях и соотношениях; 2) явление изомерии (разное строение молекул при одинаковом составе); 3) явление аллотропии (существование элемента в виде нескольких простых веществ); 4) способность молекул к полимеризации (образование макромолекул); 5) явление полиморфизма (существование соединения в разных кристаллических формах).

2. Как вы докажете, что красный и белый фосфор представляют собой две аллотропные разновидности одного и того же элемента?

Решение

Чтобы доказать, что красный и белый фосфор являются аллотропными модификациями одного и того же химического элемента, необходимо экспериментально подтвердить, что они состоят из атомов одного и того же элемента, но имеют разное строение. Это можно сделать двумя основными способами.

1. Проведение химической реакции с получением одного и того же продукта

Самым наглядным доказательством является реакция горения. Если сжечь в избытке кислорода равные по массе количества белого и красного фосфора, то в обоих случаях образуется одно и то же вещество — оксид фосфора(V) ($P_4O_{10}$), который выглядит как белый порошок.

Уравнения реакций:

• Горение белого фосфора: $4P_{\text{(белый)}} + 5O_2 \rightarrow P_4O_{10}$
• Горение красного фосфора: $4P_{\text{(красный)}} + 5O_2 \rightarrow P_4O_{10}$

Тот факт, что два разных на вид вещества (белый, воскообразный, и красный, порошкообразный) дают в результате одной и той же реакции абсолютно идентичный продукт, доказывает, что их качественный состав одинаков, то есть они состоят из атомов одного элемента — фосфора.

2. Осуществление взаимных превращений

Вторым доказательством является возможность превращения одной аллотропной модификации в другую.

• Если нагреть белый фосфор до температуры около 250–300°C в инертной атмосфере (без доступа кислорода), он превратится в красный фосфор. Происходит разрыв напряженных связей в молекулах $P_4$ и образование полимерных цепей, характерных для красного фосфора.
  $P_{\text{(белый)}} \xrightarrow{t^\circ, \text{без } O_2} P_{\text{(красный)}}$
• Можно провести и обратный процесс. Если красный фосфор нагреть до температуры сублимации (возгонки), а затем его пары быстро охладить, то они сконденсируются в виде белого фосфора.
  $P_{\text{(красный)}} \xrightarrow{\text{возгонка и конденсация}} P_{\text{(белый)}}$

Способность к взаимопревращениям без добавления каких-либо других реагентов однозначно указывает на то, что красный и белый фосфор — это лишь разные формы существования одного и того же химического элемента. Различие их физических и химических свойств (температура воспламенения, растворимость, химическая активность) объясняется разным строением их кристаллических решеток.

Ответ: Доказательством того, что красный и белый фосфор являются аллотропными модификациями одного элемента, служат два экспериментальных факта: 1) при сгорании в кислороде оба вещества образуют один и тот же продукт — оксид фосфора(V) ($P_4O_{10}$); 2) они способны к взаимным превращениям друг в друга при изменении температуры.

3. Составьте электронную схему «Виды изомерии органических соединений», иллюстрируя её конкретными примерами. Обсудите результат с соседом по парте.

Виды изомерии органических соединений

Изомерия — это явление существования химических соединений (изомеров), одинаковых по атомному составу и молекулярной массе, но различающихся по строению или расположению атомов в пространстве и, следовательно, по свойствам. Различают два основных вида изомерии: структурную и пространственную (стереоизомерию).

1. Структурная изомерия

Структурные изомеры — это соединения, имеющие одинаковую молекулярную формулу, но различный порядок связывания атомов в молекуле.

а) Изомерия углеродного скелета

Этот вид изомерии обусловлен различным порядком связи между атомами углерода, образующими "скелет" молекулы.
Пример: Для молекулярной формулы $C_4H_{10}$ (бутан) существует два изомера:

• н-бутан (имеет линейный углеродный скелет): $CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$

• изобутан или 2-метилпропан (имеет разветвленный углеродный скелет): $CH_3-CH(CH_3)-CH_3$

Ответ: Соединения н-бутан и изобутан (2-метилпропан) являются изомерами углеродного скелета.

б) Изомерия положения кратной связи или функциональной группы

Этот вид изомерии возникает из-за разного положения кратной связи (двойной или тройной) или функциональной группы в одинаковом углеродном скелете.
Пример 1 (положение кратной связи): Для молекулярной формулы $C_4H_8$ (бутен) существуют изомеры положения двойной связи:

• Бутен-1: $CH_2=CH-CH_2-CH_3$

• Бутен-2: $CH_3-CH=CH-CH_3$

Пример 2 (положение функциональной группы): Для молекулярной формулы $C_3H_7OH$ (пропанол) существуют изомеры положения гидроксильной группы (-OH):

• Пропанол-1: $CH_3-CH_2-CH_2-OH$

• Пропанол-2: $CH_3-CH(OH)-CH_3$

Ответ: Бутен-1 и бутен-2 являются изомерами положения кратной связи; пропанол-1 и пропанол-2 являются изомерами положения функциональной группы.

в) Межклассовая изомерия

Изомеры, относящиеся к разным классам органических соединений, называются межклассовыми.
Пример: Для молекулярной формулы $C_2H_6O$ существуют два изомера, принадлежащие к разным классам:

• Этанол (класс спирты): $CH_3-CH_2-OH$

• Диметиловый эфир (класс простые эфиры): $CH_3-O-CH_3$

Ответ: Этанол и диметиловый эфир являются межклассовыми изомерами.

2. Пространственная изомерия (стереоизомерия)

Стереоизомеры — это соединения, имеющие одинаковую молекулярную формулу и одинаковый порядок связывания атомов, но различное их пространственное расположение.

а) Геометрическая (цис-транс) изомерия

Этот вид изомерии характерен для соединений, в молекулах которых есть двойная связь C=C или цикл, и у каждого из атомов углерода при двойной связи (или в цикле) находятся разные заместители. Она обусловлена различным расположением заместителей относительно плоскости двойной связи или цикла.

• цис-изомер: заместители находятся по одну сторону от плоскости.
• транс-изомер: заместители находятся по разные стороны от плоскости.

Пример: Для бутена-2 ($CH_3-CH=CH-CH_3$) существуют цис- и транс-изомеры:

• цис-бутен-2 (метильные группы по одну сторону от двойной связи)

• транс-бутен-2 (метильные группы по разные стороны от двойной связи)

Ответ: цис-бутен-2 и транс-бутен-2 являются геометрическими (цис-транс) изомерами.

б) Оптическая (зеркальная) изомерия

Этот вид изомерии характерен для молекул, которые несовместимы со своим зеркальным отражением, как левая и правая рука. Такие молекулы называют хиральными. Чаще всего хиральность обусловлена наличием асимметрического атома углерода (хирального центра) — атома, связанного с четырьмя различными заместителями.
Оптические изомеры (энантиомеры) являются зеркальными отражениями друг друга.
Пример: Молекула молочной кислоты $CH_3-CH(OH)-COOH$ имеет асимметрический атом углерода (связан с $-H$, $-OH$, $-CH_3$, $-COOH$). Она существует в виде двух энантиомеров (D- и L-молочная кислота), которые являются зеркальными отражениями друг друга и не могут быть совмещены в пространстве.

Ответ: D-молочная кислота и L-молочная кислота являются оптическими изомерами (энантиомерами).

4. Приведите формулы трех гомологов углеводородов, относящихся к гомологическому ряду с общей формулой $C_n H_{2n}$. Дайте им названия.

Решение

Гомологи — это вещества, которые принадлежат к одному гомологическому ряду, имеют сходное строение и химические свойства, и отличаются по своему составу на одну или несколько групп $-CH_2-$.

Общая формула углеводородов $C_nH_{2n}$ соответствует двум классам органических соединений: алкенам (содержат одну двойную связь углерод-углерод в нециклической цепи) и циклоалканам (содержат один углеродный цикл в насыщенной структуре). Приведем в качестве примера три гомолога из ряда алкенов, для которых число атомов углерода $n \ge 2$.

Первый представитель этого ряда — этен. Для него $n=2$, молекулярная формула — $C_2H_4$, а структурная формула — $CH_2=CH_2$.

Следующий гомолог — пропен. Для него $n=3$, молекулярная формула — $C_3H_6$, а структурная формула — $CH_2=CH-CH_3$.

Третий представитель — бутен. Для него $n=4$, молекулярная формула — $C_4H_8$. Это вещество имеет изомеры; например, для бутена-1 структурная формула будет $CH_2=CH-CH_2-CH_3$.

Ответ: Примеры трех гомологов, относящихся к гомологическому ряду с общей формулой $C_nH_{2n}$, и их названия:
1. $C_2H_4$ — этен;
2. $C_3H_6$ — пропен;
3. $C_4H_8$ — бутен.

5. К раствору, содержащему 12,6 г азотной кислоты, добавили раствор, содержащий 7,2 г гидроксида натрия. Сколько соли при этом образуется? Какое вещество останется в избытке? Какова его масса?

Дано:

$m(HNO_3) = 12,6$ г

$m(NaOH) = 7,2$ г

Найти:

$m(соли) - ?$

Вещество в избытке $- ?$

$m(избытка) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение реакции нейтрализации между азотной кислотой и гидроксидом натрия:

$HNO_3 + NaOH \rightarrow NaNO_3 + H_2O$

Продуктами реакции являются соль нитрат натрия ($NaNO_3$) и вода. Стехиометрические коэффициенты в уравнении равны 1, значит, реагенты взаимодействуют в мольном соотношении 1:1.

2. Рассчитаем молярные массы реагентов и соли:

$M(HNO_3) = 1 \cdot Ar(H) + 1 \cdot Ar(N) + 3 \cdot Ar(O) = 1 + 14 + 3 \cdot 16 = 63$ г/моль

$M(NaOH) = 1 \cdot Ar(Na) + 1 \cdot Ar(O) + 1 \cdot Ar(H) = 23 + 16 + 1 = 40$ г/моль

$M(NaNO_3) = 1 \cdot Ar(Na) + 1 \cdot Ar(N) + 3 \cdot Ar(O) = 23 + 14 + 3 \cdot 16 = 85$ г/моль

3. Найдем количество вещества (число молей) для каждого из исходных веществ по формуле $n = m/M$:

$n(HNO_3) = \frac{12,6 \text{ г}}{63 \text{ г/моль}} = 0,2$ моль

$n(NaOH) = \frac{7,2 \text{ г}}{40 \text{ г/моль}} = 0,18$ моль

4. Сравним количество молей реагентов. Поскольку они реагируют в соотношении 1:1, вещество с меньшим количеством молей будет в недостатке и прореагирует полностью. Вещество с большим количеством молей будет в избытке.

$0,18 \text{ моль } (NaOH) < 0,2 \text{ моль } (HNO_3)$

Следовательно, гидроксид натрия ($NaOH$) является лимитирующим реагентом (в недостатке), а азотная кислота ($HNO_3$) находится в избытке. Дальнейшие расчеты продуктов реакции ведутся по веществу в недостатке, то есть по $NaOH$.

Сколько соли при этом образуется?

Согласно уравнению реакции, из 1 моль $NaOH$ образуется 1 моль $NaNO_3$. Значит, количество вещества образовавшейся соли равно количеству вещества прореагировавшего гидроксида натрия:

$n(NaNO_3) = n(NaOH) = 0,18$ моль

Теперь найдем массу образовавшейся соли (нитрата натрия):

$m(NaNO_3) = n(NaNO_3) \cdot M(NaNO_3) = 0,18 \text{ моль} \cdot 85 \text{ г/моль} = 15,3$ г

Ответ: образуется 15,3 г соли.

Какое вещество останется в избытке?

Как было определено в пункте 4, в избытке находится азотная кислота ($HNO_3$), так как ее исходное количество (0,2 моль) было больше, чем количество гидроксида натрия (0,18 моль), необходимого для реакции.

Ответ: в избытке останется азотная кислота.

Какова его масса?

Сначала определим, какое количество вещества азотной кислоты вступило в реакцию. Оно равно количеству вещества $NaOH$:

$n(HNO_3)_{\text{прореаг.}} = n(NaOH) = 0,18$ моль

Теперь найдем количество вещества азотной кислоты, оставшейся в избытке:

$n(HNO_3)_{\text{изб.}} = n(HNO_3)_{\text{исх.}} - n(HNO_3)_{\text{прореаг.}} = 0,2 \text{ моль} - 0,18 \text{ моль} = 0,02$ моль

Наконец, рассчитаем массу избытка азотной кислоты:

$m(HNO_3)_{\text{изб.}} = n(HNO_3)_{\text{изб.}} \cdot M(HNO_3) = 0,02 \text{ моль} \cdot 63 \text{ г/моль} = 1,26$ г

Ответ: масса избытка азотной кислоты составляет 1,26 г.

Используя Интернет или дополнительную литературу, узнайте о полиморфизме железа и его значении в обработке этого металла.

Полиморфизм (или аллотропия) — это способность вещества существовать в различных кристаллических структурах, называемых полиморфными (или аллотропическими) модификациями. Эти модификации отличаются друг от друга строением кристаллической решетки и, как следствие, физическими и химическими свойствами. Для железа и его сплавов, в первую очередь сталей, явление полиморфизма имеет фундаментальное значение, так как на нем основаны практически все виды термической обработки.

Полиморфные модификации железа

Чистое железо (Fe) в твердом состоянии может существовать в нескольких аллотропических формах в зависимости от температуры:

• $\alpha$-железо (альфа-железо, феррит). Существует при температурах ниже $912 \degree \text{C}$. Имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую решетку. При температурах до $770 \degree \text{C}$ (точка Кюри) $\alpha$-железо является ферромагнетиком, а выше этой температуры становится парамагнитным, сохраняя ОЦК-решетку.
• $\gamma$-железо (гамма-железо, аустенит). Устойчиво в интервале температур от $912 \degree \text{C}$ до $1394 \degree \text{C}$. Обладает гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической решеткой. Эта модификация не является магнитной.
• $\delta$-железо (дельта-железо). Существует в узком температурном диапазоне от $1394 \degree \text{C}$ до температуры плавления $1538 \degree \text{C}$. Как и $\alpha$-железо, имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) решетку, но с большим параметром решетки из-за высокой температуры.

Переходы между этими состояниями ($\alpha \leftrightarrow \gamma$ и $\gamma \leftrightarrow \delta$) называются полиморфными превращениями и сопровождаются изменением объема и поглощением или выделением тепла.

Значение полиморфизма в обработке железа и его сплавов (сталей)

Ключевое различие между модификациями железа, которое используется в металлообработке, — это разная способность растворять в себе углерод, основной легирующий элемент в сталях. Гранецентрированная решетка аустенита ($\gamma$-Fe) имеет более крупные междоузлия (пустоты между атомами), чем объемно-центрированная решетка феррита ($\alpha$-Fe). Поэтому растворимость углерода в аустените значительно выше (до 2,14% по массе), чем в феррите (не более 0,02% по массе). На этом свойстве основаны важнейшие технологические процессы:

1. Термическая обработка (закалка, отпуск, отжиг, нормализация).
   Это основная область применения полиморфизма железа.
   • Закалка: Сталь нагревают до температур аустенитного состояния (выше $912 \degree \text{C}$), чтобы железо перешло в $\gamma$-модификацию и растворило в себе большое количество углерода. Затем сталь быстро охлаждают (например, в воде или масле). Из-за высокой скорости охлаждения не происходит обратного превращения $\gamma \rightarrow \alpha$ с выделением углерода. Вместо этого образуется пересыщенный твердый раствор углерода в $\alpha$-железе — мартенсит. Мартенсит имеет сильно искаженную кристаллическую решетку, что придает стали очень высокую твердость и прочность, но одновременно и хрупкость.
   • Отжиг и нормализация: Эти процессы также включают нагрев до аустенитного состояния, но последующее охлаждение происходит медленно (при отжиге — вместе с печью, при нормализации — на воздухе). Медленное охлаждение позволяет произойти равновесному превращению аустенита в более мягкие и пластичные структуры — феррит и перлит (смесь феррита и цементита, $Fe_3C$). Это позволяет снять внутренние напряжения, улучшить обрабатываемость и подготовить структуру к последующей закалке.
   • Отпуск: Закаленную хрупкую сталь снова нагревают, но уже до более низких температур (ниже точки превращения в аустенит), выдерживают и охлаждают. Это позволяет уменьшить хрупкость и внутренние напряжения, повысить вязкость, сохранив при этом высокую твердость. В процессе отпуска происходит частичный распад мартенсита.
2. Горячая пластическая деформация.
   Процессы ковки, прокатки, штамповки и прессования часто проводят при высоких температурах, когда сталь находится в аустенитном состоянии. ГЦК-решетка аустенита более пластична и легче поддается деформации, чем ОЦК-решетка феррита. Это позволяет изменять форму металла со значительно меньшими усилиями и без риска образования трещин.
3. Легирование сталей.
   Добавление различных химических элементов (хром, никель, марганец, молибден и др.) позволяет изменять температуры полиморфных превращений и свойства различных фаз. Например, никель и марганец являются аустенитообразующими элементами — они расширяют температурную область существования аустенита. При достаточном их содержании аустенит может быть стабилен даже при комнатной температуре (аустенитные нержавеющие стали). Другие элементы, например хром и кремний, наоборот, являются ферритообразующими. Управляя составом сплава, можно получать материалы с заранее заданными свойствами (жаропрочные, коррозионно-стойкие, немагнитные и т.д.).

Ответ: Полиморфизм железа — это его способность изменять тип кристаллической решетки в зависимости от температуры (ОЦК $\leftrightarrow$ ГЦК). Это явление имеет решающее значение в металлургии и металлообработке, поскольку различие в растворимости углерода в разных модификациях железа лежит в основе всех видов термической обработки сталей (закалки, отжига, отпуска), позволяя кардинально изменять их механические свойства — твердость, прочность, пластичность. Также полиморфизм определяет условия для горячей обработки металлов давлением и является основой для создания легированных сталей с широким спектром эксплуатационных характеристик.